Исследование влияния внешней механической компрессии на оптические и физиологические характеристики кожи человека in vivo тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.02, кандидат наук Мохаммед Раид Мохаммед Саиф

• Мохаммед Раид Мохаммед Саиф
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Мохаммед Раид Мохаммед Саиф

Введение

ГЛАВА 1. Влияние внешней механической компрессии на оптические и физиологические свойства биотканей (критический анализ опубликованных данных)

1.1. Влияние внешней механической компрессии на

оптические свойства биотканей

1.2. Влияние внешней механической компрессии на

физиологические свойства биоткани

1.3. Роль воды в формировании оптических свойств кожи в

условиях внешней механической компрессии

Выводы

ГЛАВА 2. Влияние внешней механической компрессии кожной ткани на спектр ее диффузного отражения (модель)

2.1. Модель кожной ткани

2.2 .Алгоритм расчета спектра отражения кожи

2.3 .Результаты расчета

Выводы

ГЛАВА 3. Влияние внешней механической компрессии кожной ткани на

спектр ее диффузного отражения (эксперимент)

3.1 .Экспериментальная установка и объект исследования

3.2. Методика количественной оценки содержания крови (гемоглобина) и степени оксигенации гемоглобина крови в кожной ткани по спектрам диффузного отражения кожи в видимом диапазоне спектра

3.3. Экспериментальные результаты

3.3.1. Временная динамика спектров диффузного отражения

кожи in vivo в видимом диапазоне спектра

3.3.1.1 Временная динамика спектров диффузного

отражения кожи in vivo в диапазоне спектра 500-600 нм

3.3.1.2 Динамика изменения содержания крови и степени оксигенации гемоглобина крови в кожной ткани

в процессе ее компрессии

3.3.1.3 Временная динамика спектров диффузного

отражения кожи in vivo в диапазоне спектра 600 800 нм

3.3.2. Временная динамика спектров диффузного отражения

кожи in vivo в ближнем ИК диапазоне спектра

3.3.3. Оценка изменения содержания воды в in vivo коже

в условиях внешней компрессии

Заключение

Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния внешней механической компрессии на оптические и физиологические характеристики кожи человека in vivo»

Введение

Актуальность работы. Исследования влияния внешней механической компрессии на спектры диффузного отражения биоткани in vivo представляют интерес по целому ряду причин. Во-первых, многочисленные исследования показали, что метод диффузионной отражательной спектроскопии обладает огромным потенциалом в области неинвазивной диагностики и мониторинга состояния человека в условиях in vivo (см., например, [1]). Распространяющийся внутри биоткани человека свет изменяется в соответствии с ее морфологическими, биохимическими и физиологическими характеристиками, поэтому спектральный состав диффузно отраженного биологической тканью излучения несет информацию о ее морфо-функциональном состоянии, структуре, количестве и кровенаполненности кровеносных сосудов, пространственном распределении хромофоров внутри биоткани и их концентрации, интенсивности происходящих в биологической ткани метаболических процессов [1, 2]. Во-вторых, ключевым элементом в таких исследованиях в условиях in vivo является волоконно-оптический датчик, который соприкасается с поверхностью исследуемой биоткани, при этом происходит неконтролируемое надавливание датчиком на поверхность биоткани. В результате спектр диффузного отражения может неконтролируемым образом меняться в зависимости от величины механической компрессии, что является источником ошибок при анализе спектров. В-третьих, при локальной механической компрессии, создаваемой торцом волоконно-оптического датчика (площадь прилагаемого давления порядка нескольких мм2), в месте приложения компрессии в биоткани создается градиент показателя преломления, и этот объем среды выполняет роль линзы для распространяющегося в биоткани зондирующего света. При наложении же механической компрессии на относительно большой участок поверхности биоткани (порядка нескольких см2) сжатый объем биоткани представляет собой пространственно однородную среду без линзовых эффектов, в которой в отличие от области локальной компрессии характер распространения света меняется, что может про-

4

явиться в изменении формы спектра диффузного отражения. В-четвертых, в результате приложения внешней компрессии уменьшаются рассеивающие свойства биоткани, поэтому данный компрессионный метод является методом управления оптическими параметрами биотканей, альтернативным широко используемому методу, основанному на внедрении в биоткань химических агентов [3-5]. В-пятых, в настоящее время внешняя механическая компрессия используется как метод, позволяющий увеличить разрешение и контраст изображения при оптической когерентной томографии биотканей [6]. Далее, метод компрессионного оптического просветления биотканей может быть реализован в приборном варианте, в частности, разработано устройство для просветления биотканей (tissue optical clearing device, TOCD) [7]. Наконец, механическая компрессия кожи позволяет оценивать содержание в ней хромофоров, поглощение которых в нормальных условиях завуалировано поглощением других хромофоров. Так, выдавливание крови из области приложения компрессии позволяет оценивать по спектрам диффузного отражения содержание в коже каротиноидов [8], а по спектрам флуоресценции - содержание в коже меланина [1, 2].

Метод иммерсионного просветления биотканей в настоящее время используется достаточно широко. Основными механизмами снижения рассеяния света были предложены: (1) водный транспорт из компонентов тканей; (2) замена межклеточной или внутриклеточной воды химическим агентом, который лучше соответствует более высокому показателю преломления естественных белковых структур; и (3) структурная модификация или диссоциация коллаге-новых волокон [3, 9]. При удалении воды из пространства между коллагеновы-ми фибриллами увеличивается концентрация белков и сахара, в результате чего уменьшается рассогласование показателей преломления и снижается рассеяние. Поскольку водный транспорт играет важную роль в процессах просветления биотканей и так как результатом воздействия внешней компрессии может быть изменение содержания воды в области приложения компрессии, то компрессионный метод управления оптическими параметрами биотканей является перспективным методом. Более того, он имеет ряд преимуществ по сравнению с

5

иммерсионным методом, так как механическое сжатие биоткани является менее инвазивным и безопасным, в отличие от иммерсионного метода сохраняются барьерные функции рогового слоя и всего эпидермиса в целом, компрессионный метод должен обладать большим быстродействием, большей управляемостью и повторяемостью результатов применения.

Несмотря на довольно большой объем публикаций, связанных с механической компрессией биотканей, приведенные в них результаты зачастую носят противоположный характер, что обусловлено, прежде всего, разными условиями наложения внешней компрессии (локальной или нелокальной) и разными геометриями детектирования отраженного биотканями света (с использованием волоконно-оптического датчика или без него) [10]. Кроме того, эффект влияния внешней компрессии на оптические свойства биоткани носит инерционный характер, поэтому результаты измерений зависят от времени задержки между наложением компрессии и контактом и измерениями [11]; данный вопрос недостаточно изучен. Наконец, важно знать механизм изменения оптических свойств биоткани в условиях внешней компрессии, динамику изменения структуры и компонентного состава биоткани при внешнем давлении, а также влияние таких изменений на оптические свойства биоткани и, как следствие, на спектры диффузного отражения биоткани. Данные вопросы несомненно определяют актуальность работы.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлось выявление закономерностей динамики изменения оптических и физиологических свойств кожи in vivo в процессе наложения и снятия внешней механической компрессии разной величины и разного размера области приложения внешнего давления.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование изменений, происходящих в спектрах диффузного отражения кожи in vivo при наложении внешней компрессии.

6

2. По спектрам диффузного отражения исследование количественных изменений оптических свойств кожи при наложении внешней компрессии.

3. Теоретический анализ изменений оптических и физиологических свойств кожи при наложении компрессии.

4. Определение роли воды в формировании рассевающих и поглощающих свойств кожи in vivo.

Методы исследования: спектроскопия диффузного отражения, компьютерное моделирование.

Объекты исследования. Объектом исследования являлась кожа внутренней стороны предплечья человека in vivo. Измерения спектров диффузного отражения кожи проводились на 10 добровольцах в возрасте от 20 до 65 лет с кожей II-IV типов по Фитцпатрику.

Исследования с участием добровольцев проводились с их согласия на основании Федерального закона Российской Федерации и Хельсинкской декларации о надлежащей клинической практике. Получена рекомендация комитета по этике ФГБОУ ВО «Саратовский Государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского» Министерства здравоохранения РФ по протоколу № 9 от 15.05.2018года.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Внешняя механическая компрессия биотканей в условиях in vivo приводит к уменьшению их рассеивающих и поглощающих свойств, при этом в инфракрасной (ИК) области спектра уменьшение рассеивающих свойств превалирует над уменьшением поглощения. Процесс происходит в течение нескольких минут.

Установлены особенности изменения оптических параметров биоткани при вариации интенсивности внешней компрессии и области ее наложения. При наложении компрессии величиной 105 Па кровь (гемоглобин) полностью

удаляется из области компрессии in vivo кожной ткани.

7

Разработана методика оценки изменения содержания воды в биоткани в результате внешней компрессии.

Снятие внешней компрессии восстанавливает оптические параметры кожной ткани в течение 40-50 минут, при этом в течение первых нескольких секунд происходит значительное увеличение (в 2 - 3 раза по сравнению с кожей без компрессии) содержания крови (гемоглобина) с высокой (в 2 - 5 раз выше по сравнению с кожей без компрессии) степенью оксигенации.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

Определены времена изменения оптических и физиологических характеристик кожи в результате внешней компрессии и восстановления их первоначальных параметров после ее снятия.

Отмечено, что после снятия внешней компрессии в течение первых нескольких секунд происходит значительное увеличение (в 2 - 3 раза по сравнению с кожей без компрессии) содержания крови (гемоглобина) в области компрессии, при этом значительно увеличивается (в 2 - 5 раз выше по сравнению с кожей без компрессии) степень оксигенации гемоглобина. Данный факт может быть положен в основу методики управления степенью оксигенации гемоглобина крови биотканей.

Разработана методика оценки в изменении содержания воды в биоткани в результате внешней компрессии.

Результаты исследований способствуют дальнейшему развитию метода оптического просветления биотканей, применяемого для управления оптическими параметрами тканей для повышения эффективности диагностики и терапии различных заболеваний оптическими методами.

Достоверность полученных результатов обеспечивается качественным и количественным соответствием выводов теории основным результатам, полученным экспериментально. Достоверность экспериментальных результатов

8

обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой большого количества экспериментальных данных с использованием стандартных методов, а также их соответствием результатам, полученным другими исследователями, и широкой апробацией результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены в 9 докладах на российских и международных конференциях: Saratov Fall Meeting (SFM'13), 1st International Symposium on Optics and Biophotonics; Saratov Fall Meeting (SFM'14), International Symposium Optics and Biophotonics-II; Всероссийская научная школа-семинар «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине», Саратов, 2014 г.; Ежегодная всероссийская Школа-семинар «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2015», Саратов, 2015; Saratov Fall Meeting (SFM'16), International Symposium on Optics and Biophotonics IV; XIV Всероссийская молодежная Самарская конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, 2016 г., Самара, Россия.

Публикации.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях: В изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ:

1. Нахаева И.А.,Мохаммед М.Р., Зюрюкина О.А., Синичкин Ю.П. Влияние внешней механической компрессии на оптические свойства кожной ткани человека in vivo // Оптика и спектроскопия. 2014. Т. 117. № 3. С. 522-528.

2. Нахаева И.А., Зюрюкина О.А., Мохаммед Р.М., Синичкин Ю.П. Влияние внешней механической компрессии на содержание воды в кожной ткани человека in vivo // Оптика и спектроскопия. 2015. Т. 118. № 5. С. 152-159.

В сборниках научных конференций: 1. Мохаммед Р.М. Исследование патологических процессов в биотканях методами оптической спектроскопии // IV Всероссийская научно-практическая конференция «Научная инициатива иностранных студентов

и аспирантов российских вузов». Сборник докладов. Томск 24-26 мая 2011 г. С. 354-358.

2. Зюрюкина О.А., Нахаева И.А., Мохаммед Р.М., Синичкин Ю.П. Влияние внешней механической компрессии на состояние оксигенации гемоглобина крови кожи человека in vivo / Проблемы оптической физики и био-фотоники. SFM-2013: материалы 17-й Междунар. молодежной науч. школы по оптике, лазерной физике и биофотонике / под ред. Г. В. Симо-ненко, В. В. Тучина. - Саратов : Изд - во «Новый ветер», 2013. - С. 9-17.

3. Нахаева И.А., Зюрюкина О.А., Мохаммед Р.М., Синичкин Ю.П. Влияние внешней механической компрессии на оптические и физиологические свойства кожи in vivo / Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2014: материалы Всерос. молодеж. конф. / под. ред. проф. Д.А. Усанова. - Саратов: Изд-во Саратовский источник, 2014. С. 93-94.

4. Зюрюкина О.А., Нахаева И.А., Мохаммед Р.М., Синичкин Ю.П. Влияние внешней механической компрессии на оптические и физиологические свойства кожи человека in vivo / Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2015: материалы Всерос. молодеж. конф. / под. ред. проф. Д.А. Усанова. - Саратов: Изд-во Саратовский источник, 2015. С. 45-48.

5. Зюрюкина О.А., Нахаева И.А., Мохаммед Р.М, Синичкин Ю.П. Компрессионный метод управления оптическими параметрами биотканей / XIV Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике: сборник трудов конференции, 8-12 ноября 2016 г., Самара, Россия. - Москва, ФГБУН ФИАН им. П.Н. Лебедева РАН, 2016. С. 230-235.

Личный вклад автора состоит в планировании исследований совместно с научным руководителем. Критический анализ опубликованной литературы, проведение экспериментальных работ и обработка полученных данных, прове-

дение компьютерного моделирования и анализ полученных результатов выполнены непосредственно автором .

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 82 источника. Общий объем диссертации составляет 112 страниц, включая 49 рисунков и 6 таблиц.

Основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. При наложении компрессии величиной более 105 Па кровь (гемоглобин) полностью удаляется из области компрессии.

2. Методика оценки изменения содержания воды в коже в условиях компрессии кожи, заключающаяся в сравнении относительного изменения коэффициентов отражения кожи в условиях компрессии на двух длинах волн, на одной из которых (810 нм) коэффициент отражения определяется только рассеянием света, а на другой (1070 нм) - как рассеянием, так и поглощением воды.

3. Снятие внешней компрессии восстанавливает оптические параметры in vivo кожной ткани в течение 40-50 минут, при этом в течение первых нескольких секунд происходит значительное увеличение (в 2 - 3 раза по сравнению с кожей без компрессии) содержания крови (гемоглобина) с высокой (в 2 - 5 раз выше по сравнению с кожей без компрессии) степенью оксигенации гемоглобина.

ГЛАВА 1. Влияние внешней механической компрессии на оптические и физиологические свойства биотканей (критический анализ опубликованных данных)

1.1 Влияние внешней механической компрессии на оптические свойства биотканей

Эффект увеличения глубины проникновения лазерного излучения в биоткань при наложении на нее внешнего локального механического давления был продемонстрирован более 30 лет назад [12]. С тех пор появился довольно большой объем публикаций, связанных с исследованиями влияния внешней механической компрессии биотканей на их оптические свойства (поглощение и рассеяние).

Первые исследования [13, 14] проводились на образцах биотканей ex vivo. Авторы отметили, что внешняя компрессия изменяет оптические свойства образцов биотканей, что отражалось в изменении диффузного отражения и пропускания света образцами биотканей. Так, в работе [13] проведенные исследования влияния компрессии на образцы мягких тканей (кожу человека, склеру и аорту быка, склеру свиньи) продемонстрировали уменьшение коэффициента диффузного отражения и увеличение пропускания и коэффициентов поглощение и рассеяния в области спектра 400-1800 нм, при этом эффекты давления на оптические свойства биоткани увеличивались с увеличением давления. Были сделаны выводы о том, что компрессия увеличивает коэффициент поглощения и рассеяния биоткани, а возможным механизмом эффекта является увеличение концентрации рассеивателей.

Коэффициенты поглощения jua и рассеяния jus рассеивающей среды с

поглощением, в том числе биоткани, определяются количеством поглощающих pa и рассеивающих ps частиц в единице объема

Va =Pa°a, (11)

Ms = PsJs, (12)

где <a и <js - сечения поглощения и рассеяния, соответственно. При компрессии биоткани в результате уменьшения расстояния между клеточными компонентами увеличиваются pa и ps, в то время, как <a и js остаются практически неизменными или слегка уменьшаются из-за большего согласования показателей преломления межклеточной жидкости и коллагеновых волокон. В результате коэффициенты jua и jus увеличиваются, что приводит к уменьшению

диффузного отражения.

Подобные результаты были получены и в работе [14]. Авторы исследовали влияние механической компрессии на образцы кожи свиньи ex vivo, и было получено, что при механическом сдавливании образцов происходит увеличение пропускания света через них, при этом эффект носит необратимый характер. Нужно отметить, что эксперименты проводились с образцами, на которые накладывалось внешнее давление на достаточно большой (более 100 мм2) площади, существенно превышающей размеры площади прикладывания давления в случае использования волоконно-оптического датчика.

Авторы работ [7, 15] также исследовали диффузное отражение света и его пропускание образцами кожи свиньи ex vivo в условиях механической компрессии. Сделано предположение, что для объяснения полученных результатов недостаточно факта уменьшения толщины образца, а необходимо привлекать другие эффекты, в том числе динамические. Было также показано, что просветление образцов ткани улучшает визуализацию объекта, располагаемого за образцом биоткани, увеличивая разрешение и контраст его изображения.

Механическая компрессия изменяет также оптические свойства биотканей in vivo, что сопровождается спектральными изменениями как в диффузном отражении света биотканями [11, 15-24], так и в автофлуоресценции биотканей [24, 25-27]. Одними из первых исследователей, кто отметил влияние компрессии на спектры диффузного отражения и автофлуоресценции кожи человека in

vivo, были авторы работ [16, 25]. Отмечалось, что оказываемое на кожу давле-

13

ние уменьшает глубину провала в зеленой области спектра, который является индикатором наличия крови (гемоглобина) в биоткани, в результате чего коэффициент отражения биоткани в этой области увеличивался, и уменьшает коэффициент отражения кожи в желто-красной области спектра. При этом в спектре диффузного отражения была обнаружена изобестическая точка при длине волны порядка 600 нм, коэффициент отражения на которой практически не менялся при наличии или отсутствии компрессии [16]. Внешняя компрессия приводила также к увеличению интенсивности автофлуоресценции кожи в коротковолновой области видимого диапазона спектра [25].

Влияние компрессии на спектры диффузного отражения in vivo кожи в диапазоне 1100 - 1700 нм исследовалось в работе [17], где было показано, что при увеличении давления волоконно-оптического датчика на поверхность кожи диффузное отражение уменьшается. Увеличение компрессии осуществлялось путем вдавливания торца датчика внутрь кожи. Получено, что по мере увеличения контакта диффузное отражение сначала значительно флуктуирует, а по истечении определенного времени контакта флуктуации стабилизируются. Авторы связывали такое поведение спектров с изменением внутренней структуры кожной ткани. Исходя из биомеханической структуры кожи человека и подкожной ткани, можно считать, что подкожный жир и мышечная ткань обладают хорошей эластичностью и до определенной степени устойчивостью к внешней компрессии. Поэтому при измерении диффузного отражения биоткани в условиях компрессии можно считать, что кожа и подкожная ткань соответственно меняются, влияя на стабильность измеряемых спектров. Однако при увеличении контактного времени структура биоткани стабилизируется, и степень ее влияния на спектры ослабевает. Авторы определи оптимальное состояние контакта и оптимальное время измерения, при которых влияние давления на измерения диффузного отражения минимально. Получено, что оптимальное состояние контакта возникает, когда датчик вдавливается в кожу на расстояние 0,5 мм, и оптимальное время измерений составляет 30 секунд.

Аналогичную задачу решали авторы работы [23] в видимом диапазоне спектра отражения кожи. Исследовалось влияние давления волоконно-оптического датчика на поверхность кожи in vivo на спектры диффузного отражения в диапазоне 345-1000 нм. Компрессия на кожу менялась дискретно путем пошагового вдавливания торца датчика (диаметром 8,25 мм) внутрь кожи. Максимальное давление на кожу составляло величину 0,933 Н/см2 (0,933 104 Па). Авторы обнаружили, что с увеличением компрессии спектры диффузного отражения ведут себя по-разному. На рисунке 1. 1 приведены два варианта изменений в спектрах.

а

б

Рис. 1.1. Поведение спектров диффузного отражения кожи in vivo при увеличении компрессии: a) parallel pattern (b) pivot pattern [23]

В одном случае увеличение давления приводила к уменьшению диффузного отражения в диапазоне длин волн 530-680 нм («parallel pattern») (рис. 1.1а). В другом случае с увеличением давления спектры «крутились» вокруг изобестической точки 590 нм, так что спектры ниже этой длины волны диффузное отражение увеличивалось, а выше - уменьшалось («pivot pattern») (рис. 1.1б).

Данный результат не совпал с результатами исследования Randerberg [18] влияния компрессии на спектры диффузного отражения в диапазоне (400-850 нм), который отметил факт увеличения спектра диффузного отражения на длинах волн свыше 600 нм и его уменьшения в диапазоне спектра ниже 600 нм при увеличении компрессии. Эти расхождения, возможно, связаны с разной геометрией детектирования отраженного биотканью света, так как автор использовал технику интегрирующей сферы.

Влиянию внешнего механического давления на спектры диффузного отражения в ближней инфракрасной области мягких тканей посвящены работы [28 - 30]. Исследовалось влияние статического и динамического (меняющегося) давления на диффузное отражение мягких тканей (in vitro жир и мышцы и in vivo кожи разных участков ладони и запястья - над мышцей, над веной и над костью). Было получено, что в случае образцов кожи прикладываемое давление приводит к уменьшению диффузного отражения и рассеяния, в то время как концентрации хромофоров (вода, гемоглобин, липиды) и, соответственно поглощение, увеличивались. Авторы предположили, что вызванные давлением спектральные изменения сильно зависят от местоположения участка и того, какими являются нижележащие ткани. Кроме того, то же самое контактное давление вызывает большие изменения в спектрах ближнего инфракрасного спектрального диапазона, чем в спектральном диапазоне от 650 до 900 нм.

В работе [24] исследовались влияния давления волоконно-оптического датчика на спектры диффузного отражения и автофлуоресценции кожи человека (шеи, пальца и предплечья) in vivo. Были изучены эффекты кратковременного (менее 2 сек) и долговременного (более 30 сек) механического воздействия

16

на спектральные измерения. В измерениях использовался волоконно-оптический датчик диаметром 6,35 мм, содержащий шесть осветительных волокон и одно для сбора отраженного излучения. Максимальное прикладываемое давление составляло величину 152 мН/мм2 (1,52 105 Па). Было получено, что при большом давлении происходят значительные спектральные изменения при продолжительной компрессии, при этом давление датчика влияет не только на оптические, но и на физиологические параметры кожной ткани.

Влияние компрессии на флуоресценцию биотканей зачастую носит противоречивый характер. Так, в работе [25] отмечается увеличение интенсивности автофлуоресценции кожи человека in vivo в случае компрессии кожи, в то время как влияние внешнего давления на цервикальную флуоресценцию незначительно [26, 27].

1.2 Влияние внешней механической компрессии на физиологические свойства биоткани

Авторы [24] считают, что изменения в спектрах обусловлены изменениями физиологических характеристик. При этом изменения в спектрах специфичны для кожи разной морфологии. После наложения компрессии отмечается увеличение концентрации гемоглобина в коже шеи, в то время как содержание гемоглобина в коже пальца и предплечья уменьшается. Гемоглобин в коже шеи уменьшается только при достаточно большом давлении - 77 мН/мм2 (0,77 105 Па), в отличие от кожи пальца и предплечья, где концентрация гемоглобина уменьшается уже при малом давлении. С увеличением давления содержание гемоглобина продолжает уменьшаться, при этом также уменьшается степень насыщения гемоглобина кислородом, и через 60 секунд гемоглобин в тканях полностью отсутствует. Авторы считают, что такие различия в поведении спектров обусловлены морфологией образцов. Кожа шеи лежит на более мускулистой и эластичной по сравнению с пальцем и предплечьем ткани. Эта ткань

быстро не сжимается, поэтому для шеи требуется большее давление для дости-

17

жения такого же эффекта, что и для пальца или предплечья. Из-за массивности и эластичности шеи сдавленная ткань показывает временное увеличение содержания крови, которое впоследствии уменьшается.

По сравнению с поглощением приведенный коэффициент рассеяния меняется в меньшей степени. С увеличением давления он увеличивается для предплечья и уменьшается для кожи шеи и мало меняется для пальца. Авторы высказывают гипотезу, что уменьшение коэффициента рассеяния при увеличении давления на кожу шеи обусловлено вытеснением воды в эпидермисе и дерме. В случае предплечья происходит аналогичная компрессия и вытеснение воды, однако наличие кости препятствует переходу дермы в гиподерму, способствуя увеличению глубины проникновения датчика в дерму (рис. 1.2). В результате увеличивается общее рассеяние, так как датчик достигает области дермы с сильно рассеивающим коллагеном. Это подтверждает и увеличение флуоресценции коллагена в случае предплечья.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мохаммед Раид Мохаммед Саиф, 2019 год

Список использованных источников

1. Синичкин Ю.П., Утц С.Р. In vivo отражательная и флуоресцентная спектроскопия кожи человека - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001. - 92 с.

2. Sinichkin Yu.P., Kollias N., Zonios G., Utz S.R., Tuchin V.V. Back reflectance and fluorescence spectroscopy of the human skin in vivo / Handbook on Optical Biomedical Diagnostics and Imaging / Ed. V.V. Tuchin - Bellingham, SPIE Press, 2002. - P. 725-785.

3. Tuchin V.V., Maksimova I.L., Zimnyakov D.A., Kon I.L., Mavlyutov A.H., Mishin A.A. Light propagation in tissues with controlled optical properties // J. Biomed. Opt. 1997. Vol. 2(4). P. 401-417.

4. Vargas O, Chan E.K., Barton J.K., Rylander H.G., Welch A.J. Use of an agent to reduce scattering in skin // Laser Surg. Med. 1999. Vol. 24(2). P. 133-141.

5. Tuchin V.V. Optical clearing of tissue and blood using immersion method // J Phys D. 2005. Vol. 38. P. 2497-2518.

6. Агрба П.Д., Кириллин М.Ю., Абелевич А.И., Загайнова Е.В., Каменский В.А. Компрессия как метод повышения информативности оптической когерентной томографии биотканей // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107. № 6. С. 901-906.

7. Izquierdo-Roman A., Vogt W.C., Hyacinth L., Rylander C.G. Mechanical tissue optical clearing technique increases imaging resolution and contrast through ex vivo porcine skin // Lasers in Surgery and Medicine. 2011. Vol. 43. P. 814-823.

8. Ermakov I.V., Gellermann W. Dermal carotenoid measurements via pressure mediated reflection spectroscopy// J. Biophotonics. 2012. Vol. 5. №7. P. 559570.

9. Yeh A.T., Choi B., Nelson J.S., Tromberg B.J. Reversible dissociation of collagen in tissues // J. Invest. Dermatol. 2003. V. 121(6). P. 1332-1335.

10.Долотов Л.Е., Синичкин Ю.П. особенности применения волоконно-оптических датчиков в спектральных измерениях биологических тканей// Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 115. №2. С. 220-226.

11.Ruderman S., Gomes A.J., Stoyneva V. , Rogers J.D., Fought A.J., Jovanovic

B.D., and Backman V. Analysis of pressure, angle and temporal effects on tissue optical properties from polarization-gated spectroscopic probe measurements// Biomedical Optics Express. 2010. Vol. 1. №2. P. 489-499

12.Аскарьян Г. А. Увеличение прохождения лазерного и другого излучения через мягкие мутные физические и биологические среды // Кван. Электр. 1982. Т. 9. 7. С. 1379-1383.

13.Chan E.K., Sorg B., Protsenko D., O'Neil M., Motamedi M., Welch A.J. Effects of compression on soft tissue optical properties // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 1996. Vol. 2(4). P. 943-950.

14.Shangguan H., Prahl S.A., Jacques S.L., Casperson L.W. Pressure effects on soft tissues monitored by changes in tissue optical properties // Proc. SPIE. 1998. Vol. 3254. P. 366-371.

15.Vogt W. C., Izquierdo-Roman A., Nichols B., Lim L., Tunnell J. W., and Rylander C. G. Effects of Mechanical Indentation on Diffuse Reflectance Spectra, Light Transmission, and Intrinsic Optical Properties in Ex Vivo Porcine Skin // Lasers in Surgery and Medicine. 2012. Vol, 44. P. 303-309.

16.Синичкин Ю.П., Утц С.Р., Пилипенко Е.А. Спектроскопия кожи человека in vivo: 1. Спектры отражения // Оптика и спектроскопия. 1996. T. 80. №2.

C. 260-267.

17.Chen W., Liu R., Xu K. and Wang R.K. Influence of contact state on NIR diffuse reflectance spectroscopy in vivo // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38. P. 2691.

18.Randeberg L.L. Diagnostic applications of diffuse reflectance spectroscopy, Doctoral Thesis, Norwegian University of Science and Technology, Trond-heim, Norway, 2005.

19.Carp S.A., Kauffman T., Fang Q., Rafferty E., Moore R.,. Kopans D, Boas D.. Compression-induced changes in the physiological state of the breast as observed through frequency domain photon migration measurements // J. Bio-med. Opt. 2006. Vol. 11. №6. 064016.

20.Reif R., Amorosino M.S., Calabro K.W., A'Amar O., Singh S.K., and Bigio I.J. Analysis of changes in reflectance measurements on biological tissues subjected to different probe pressures // J. Biomed. Opt. 2008. Vol. 13. №1. 010502.

21.Ti Y., Lin W.C. Effects of probe contact pressure on in vivo optical spectroscopy // Opt. Express. 2008. Vol. 16. №6. P. 4250-4262.

22.Cerussi A., Siavoshi S., Durkin A., Chen C., Tanamai W., Hsiang D., and Tromberg B. J.. Effect of contact force on breast tissue optical property measurements using a broadband diffuse optical spectroscopy handheld probe // Appl. Opt. 2009. Vol. 48. P. 4270-4277.

23.Delgado Atencio J.A., Orozco Guillén E.E., Vázquezy Montiel S., Cunill Rodríguez M., Castro Ramos J., Gutiérrez J.L., and Martínez F.. Influence of probe pressure on human skin diffuse reflectance spectroscopy measurements // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). 2009. Vol. 18. №1. P. 6-14.

24.Lim L., Nichols B., Rajaram N., Tunnell J.W. Probe pressure effects on human skin diffuse reflectance and fluorescence spectroscopy measurements // J. Bi-omed. Opt.. 2011. Vol. 16. №1. 011012-1-9.

25.Синичкин Ю.П., Утц С.Р., Меглинский И.В., Пилипенко Е.А. Спектроскопия кожи человека in vivo: 2. Спектры флуоресценции // Опт. и спектр. 1996. T. 80. №3. C. 431.

26.Nath A., Rivoire K., Chang S., D. Cox, Atkinson E.N., Follen M., and Rich-ards-Kortum R. Effect of probe pressure on cervical fluorescence spectroscopy measurements // J. Biomed. Opt. 2004. Vol. 9. №3. P. 523-533.

27.Rivoire K., Nath A., Cox D., Atkinson E. N., Richards-Kortum R., and Follen

M. The effects of repeated spectroscopic pressure measurements on fluores-

105

cence intensity in the cervix // Am. J. Obstet. Gynecol. 2004. Vol. 191. №5. P. 1606-1617.

28.Cugmas B., Burmena M., Pernusa F., Likar B. Analysis of soft tissue near infrared spectra under dynamic pressure effects // Proc. SPIE. 2012. Vol. 8220. 822007.

29.Cugmas B., Burmena M., Bregar V., Pernusa F., Likar B. Pressure-induced near infrared spectra response as a valuable source of information for soft tissue classification // Journal of biomedical optics. 2013. Vol. 18. No. 4. P. 047002..

30.Cugmas B., Burmena M., Bregar V., Pernusa F., Likar B. Impact of contact pressure-induced spectral changes on soft-tissue classification in diffuse reflectance spectroscopy: problems and solutions // Journal of biomedical optics. - 2014. - T. 19. - №. 3. - C. 037002..

31.Sapozhnikova V. V. et al. Effect on blood glucose monitoring of skin pressure exerted by an optical coherence tomography probe // Journal of biomedical optics. 2008. T. 13. №. 2. C. 021112.

32.Kirillin M.Y., Agrba P.D., Kamensky V.A. In vivo study of the effect of mechanical compression on formation of OCT images of human skin // Journal of Biophotonics. 2010. Vol. 3(12). P. 752-758 .

33.Rylander C.G., Milner T.E., Baranov S.A., Nelson J S. Mechanical tissue optical clearing devices: enhancement of light penetration in ex vivo porcine skin and adipose tissue // Lasers Surg. Med. 2008. Vol. 40. №10. P. 688-694.

34.Drew C., Milner T. E., Rylander C. G. Mechanical tissue optical clearing devices: evaluation of enhanced light penetration in skin using optical coherence tomography //Journal of biomedical optics. 2009. T. 14. No. 6. C. 064019.

35.Yu B., Shah A., Nagarajan V.K., Ferris D.G. Diffuse reflectance spectroscopy of epithelial tissue with a smart fiber-optic probe // Biomedical Optics Express. 2014. Vol. 5. No. 3. P. 675-689.

36.Bydlon T. M. et al. Chromophore based analyses of steady-state diffuse reflectance spectroscopy: current status and perspectives for clinical adoption //Journal of biophotonics. 2015. Vol. 8. No. 1-2. P. 9-24.

37.Delalleau A. et al. A nonlinear elastic behavior to identify the mechanical parameters of human skin in vivo //Skin research and Technology. 2008. Vol. 14. No. 2. P. 152-164.

38.Ding H. et al. Determination of refractive indices of porcine skin tissues and intralipid at eight wavelengths between 325 and 1557 nm //JOS A A. 2005. Vol. 22. No. 6. P. 1151-1157.

39. Kim C. B., Su C. B. Measurement of the refractive index of liquids at 1.3 and 1.5 micron using a fibre optic Fresnel ratio meter //Measurement Science and Technology. 2004. Vol. 15. No. 9. P. 1683.

40. Anderson R. R., Parrish J. A. The optics of human skin //Journal of investigative dermatology. 1981. Vol. 77. No. 1. P. 13-19.

41. Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Optical properties of human skin, subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2000 nm// J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38. P. 2543-2555.

42.Hidenobu A., Mariko E. Non-contact skin moisture measurement based on near-infrared spectroscopy // Appl. Spectrosc. 2004. V. 58. P. 1439-1446.

43.Nachabe R., van der Hoorn J.W., van de Molengraaf R., Lamerichs R., Pik-kemaat J., Sio C.F., Hendriks B.H., Sterenborg H.J. Validation of Interventional Fiber Optic Spectroscopy With MR Spectroscopy, MAS-NMR Spectroscopy, High-Performance Thin-Layer Chromatography, and Histopathology for Accurate Hepatic Fat Quantification // Investigative Radiology. 2012. Vol. 47. P. 209-216.

44.Nachabe R., Hendriks B.H., Desjardins A.E., van der Voort M., van der Mark M.B., Sterenborg H.J. Estimation of lipid and water concentrations in scattering media with diffuse optical spectroscopy from 900 to 1600 nm // Journal of Biomedical Optics. 2010. Vol. 15. 037015.

45.Oomens C.W.J., Vancampen D.H., Grootenboer H.J. A mixture approach to the mechanics of skin // J. Biomech. 1987. Vol. 20(9). P. 877-885.

46.Kostli K. P. et al. Optoacoustic tomography: time-gated measurement of pressure distributions and image reconstruction //Applied Optics. 2001. Vol. 40. No. 22. P. 3800-3809.

47.Vargas G., Chan K.F., Thomas S.L., Welch A.J. Use of osmotically active agents to alter optical properties of tissue: Effects on the detected fluorescence signal measured through skin // Lasers Surg. Med. 2001. V. 29. P. 213-220.

48. Jansen E. D. et al. Effect of optical tissue clearing on spatial resolution and sensitivity of bioluminescence imaging //Journal of biomedical optics. 2006. Vol. 11. No. 4. P. 041119-041119-7.

49. Ross E. V., Ladin Z., Kreindel M., and Dierickx C. Theoretical considerations in laser hair removal //Dermatologic Clinics. 1999. vol. 17(2).P.333-355.

50. Neira R., Arroyave J., Ramirez H. et al., Fat liquefaction: effect of low-level laser energy on adipose tissue // Plastic and Reconstructive Surgery. 2002.vol. 110(3). P. 912-922.

51.Rylander C. G. et al. Dehydration mechanism of optical clearing in tissue //Journal of biomedical optics. 2006. Vol. 11. No. 4. P. 041117-041117-7.

52.Wang R. K., Xu X., He Y., and Elder J. B. Investigation of optical clearing of gastric tissue immersed with hyperosmotic agents // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 2003. vol. 9(2).P. 234-242.

53. Tuchin V. V. Optical clearing of tissues and blood. - Bellingham : Spie Press, 2006.

54.Xu X., Wang R.K. Synergistic effect of hyperosmotic agents of dimethyl sulfoxide and glycerol on optical clearing of gastric tissue studied with near infrared spectroscopy // Phys. Med. Biol. 2004. V. 49. №. 3.P. 457-468.

55.Xu X., Wang R.K. The role of water desorption on optical clearing of biotis-sue: Studied with near infrared reflectance spectroscopy // Med. Phys. 2003. V. 30(6). P. 1246-1253.

56.Gurjarpadhye A.A., Vogt W.C., Liu Ya., Rylander C.G. Effect of localized mechanical indentation on skin water content evaluated using OCT //Journal of Biomedical Imaging. 2011. T. 2011. ID 817250.

57.Tsai C.L., Chen J.C., Wang W.J. Near-infrared absorption property of biological soft tissue constituents // J. Med. Biol. Eng. 2001. V. 21(1). P. 7-14.

58.Brugmans M.J., Kemper J., Gijsbers G.H.M., van der Meulen F.W., van Ge-mert M.J.C. Temperature response of biological materials to pulsed nonablative CO2 laser irradiation // Lasers Surg. Med. 1988. V. 11. P. 264-275.

59.Ivanov A.P., Makarevich S.A., Khairullina A.Y., Radiation propagation in tissues and liquids with close particle packing // J. Appl. Spectrosc. 1987. V. 47. №. 4 .P. 1077-1082.

60. Rol P., Neiderer P., Durr U., Henchoz P.D., Frankhauser F. Experimental investigation on the light scattering properties of the human sclera // Ophthalmic Surg. Lasers. 1990. V. 3. P. 201-212.

61. Tuchin V.V. Tissue optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis / SPIE Tutorial Texts in Optical Engineering TT38, Bellingham, WA, 2000.

62.Anderson R.R., Parrish J.A. The optics of human skin // J. Invest. Dermatol. 1981. V. 77. №. 1. P. 13-19.

63. Heller W. Remarks on refractive indexmixture rules // J. Phys. Chem. 1965. V. 69. №. 4. P. 1123-1129.

64.Du Y., Hu X.H., Caiveau M., Ma X., Kalmus G.W., Lu J.Q. Optical properties of porcine skin dermis between 900 nm and 1500 nm // Phys. Med. Biol. 2001. V. 46. №. 1. P. 167-181.

65.Li C., Jiang J., Xu K. The variations of water in human tissue under certain compression: studied with diffuse reflectance spectroscopy //Journal of Innovative Optical Health Sciences. 2013. Vol. 6. No. 01. P. 1350005.

66.Farrell T.J., Patterson M.S., Wilson B. A diffuse theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of

tissue optical properties in vivo // Med. Phys. 1992. V. 19. P. 879-888.

109

67.Prahl S. [Электронный ресурс] Oregon medical laser center. URL: http://omlc.ogi.edu. (дата обращения: 25.04.2014).

68.Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Optical properties of human skin, subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2000 nm // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38. P. 2543-2555.

69.Millikan G.A. The oxymeter, an instrument for measuring continuously the oxygen saturation of arterial blood in man // Rev. Sci. Instr. 1942. Vol. 13. P. 434-444.

70.Nakajima S., Hirai Y., Takase H., et al. New pulsed type earpiece oximeter // Kokyu To Junkan. 1975. Vol. 23. P. 709-713.

71.Kelleher J.F. Pulse oximetry // J. Clin. Monit. 1989. Vol. 5. P. 37-62.

72.Mendelson Y. Pulse oxymetry: theory and applications for noninvasive monitoring // Clin. Chem. 1992. Vol. 38. P. 1601-1607.

73.Yoxall C.W., Weindling A.M. Measurement of venous saturation in the adult human forearm by near infrared spectroscopy with venous occlusion // Med. & Biol. Eng. & Comput. 1997. Vol. 35. P. 331-336.

74.Suzuki S., Takasaki S., Ozaki T., Kobayashi Y. A tissue oxygenation monitor using NIR spatially resolved spectroscopy // Proc. SPIE. 1999. Vol. 3597. P. 582-592.

75.De Blasi R.A., Ferrary M., Natali A., et al. Non-invasive measurement of forearm blood flow and oxygen consumption by near infrared spectroscopy // J. Appl. Physiol. 1994. Vol. 76. P. 1388-1393.

76.Feather J. W., Haijzadeh M., Dawson J. B. et al. A portable scanning reflectance spectrophotometer using visible wavelengths for rapid measurement of skin pigments // Phys. Med. Biol. 1989. Vol. 34. P. 807-820.

77.Haijzahen M., Feather J. W., Dawson J. B. An investigation of factors affecting the accuracy of in vivo measurements of skin pigments by reflectance spectroscopy // Phys. Med. Biol. 1990. Vol. 35. P. 1301-1315.

78.Schmitt J.M., Kumar G.. Optical scattering properties of soft tissue: a discrete

particle model // Appl. Opt. 1998. Vol. 37. No. 13. P. 2788-2797.

110

79.Чернух А.М., Александров П. Н., Алексеев О. В. Микроциркуляция.—М.: Медицина, 1975. - 452 с.

80.Genina E.A., Bashkatov A.N., Korobko A.A., Zubkova E.A., Tuchin V.V., Yaroslavsky I., Altshuler G.B. Optical clearing of human skin: comparative study of permeability and dehydration of intact and photothermally perforated skin // J Biomedical Opt. 2008. Vol. 13(2). 021102.

81.Bashkatov A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Measurement of glucose diffusion coefficients in human tissues. In Handbook of optical sensing of glucose in biological fluids and tissues / by ed. V.V. Tuchin. - Boca Raton, London, New York: Taylor & Francis Group LLC, CRC Press, 2009. - P. 587-621.

82.Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. -М.: Мир, 1986.